תהליך שחול טווין בורג לייצור סיבים מתחדשים

Summary

פותח תהליך אקסטרוזיה רב-תכליתי של שני ברגים כדי לספק טיפול תרמו-מכני-כימי יעיל בביומסה ליגנוקלולוסית, מה שמוביל ליחס גובה-רוחב ממוצע של סיבים. קלסר טבעי ניתן גם להוסיף ברציפות לאחר זיקוק סיבים, המוביל סיבים מבוססי ביו עם תכונות מכניות משופרות לאחר לחיצה חמה של החומר המובלט המתקבל.

Abstract

פותח תהליך שחול רב-תכליתי של שני ברגים כדי לספק טיפול טרום-כימי תרמו-מכני יעיל בביומסה ליגנוקלולוסית לפני השימוש בו כמקור לחיזוק מכני בסיבים מבוססי ביו מלאים. תוצרי לוואי שונים של יבולים ליגנוקלוסיים כבר טופלו בהצלחה בתהליך זה, למשל, קשיות דגנים (במיוחד אורז), קש כוסברה, שבירות מקש פשתן oleaginous, וקליפת גבעולי אמרנת וחמניות כאחד.

תהליך ההבלטה מביא לעלייה ניכרת ביחס הגובה-רוחב הממוצע של הסיבים, מה שמוביל לשיפור התכונות המכאניות של סיבים. האקסטרודר בעל הבורג התאום יכול גם להיות מצויד במודול סינון בקצה החבית. מיצוי מתמשך של כימיקלים שונים (למשל, סוכרים חינם, hemicelluloses, volatiles שברי שמן אתרי, וכו ‘) מן המצע lignocellulosic, ואת זיקוק סיבים יכול, אם כן, להתבצע בו זמנית.

האקסטרודר יכול לשמש גם ליכולת הערבוב שלו: קלסר טבעי (למשל, ליגני Organosolv, עוגות שמן על בסיס חלבון, עמילן וכו ‘) ניתן להוסיף את הסיבים מעודן בסוף פרופיל הבורג. Premix המתקבל מוכן להיות מעוצב באמצעות לחיצה חמה, עם קלסר טבעי תורם לכידות סיבים. תהליך משולב כזה במעבר אקסטרודר יחיד משפר את זמן הייצור, עלות הייצור, ועלול להוביל לירידה בגודל הייצור של המפעל. מכיוון שכל הפעולות מבוצעות בצעד אחד, מורפולוגיה סיבים נשמרת טוב יותר, הודות לזמן מגורים מופחת של החומר בתוך האקסטרודר, וכתוצאה מכך ביצועים חומריים משופרים. פעולת שחול חד-שלבית שכזו עשויה להיות במקורו של תהליך תעשייתי בעל ערך.

בהשוואה לחומרים מסחריים מבוססי עץ, סיבים מבוססי ביו מלא אלה אינם פולטים שום פורמלדהיד, והם יכולים למצוא יישומים שונים, למשל, מיכלי ביניים, רהיטים, ריצוף ביתי, מדפים, בנייה כללית וכו ‘.

Introduction

שחול הוא תהליך שבמהלכו חומר זורם נאלץ לעבור מוות חם. שחול, אם כן, מאפשר היווצרות של מוצרים שחוממו מראש תחת לחץ. האקסטרודר התעשייתי הראשון שהופיע בשנת 1873. הוא שימש לייצור כבלים רציפים מתכתיים. משנת 1930 ואילך הותאמה הבלטה חד-בורגית לתעשיית המזון כדי לייצר נקניקיות ועבר. לעומת זאת, האקסטרודר התאום-בורג הראשון שימש לראשונה לפיתוחים בתעשיית המזון. הוא לא הופיע בתחום הפולימרים הסינתטיים עד שנות ה-40. לשם כך תוכננו מכונות חדשות, ותפעולן עוצב גם^{הוא 1}. פותחה מערכת עם ברגים חודרים ומשתפים פעולה, המאפשרת ערבוב והבלטה בו זמנית. מאז, טכנולוגיית ההבלטה התפתחה ברציפות באמצעות תכנון של סוגים חדשים של ברגים. כיום, תעשיית המזון עושה שימוש נרחב של שחול בורג תאומים למרות שזה יקר יותר מאשר שחול בורג יחיד כמו שחול בורג תאומים מאפשר גישה לעיבוד חומר משוכלל יותר ומוצרים סופיים. הוא משמש במיוחד לבישול שחול של מוצרים עמילניים, אלא גם לסמסור חלבונים וייצור מזון לחיות מחמד ולהזנת דגים.

לאחרונה, שחול בורג תאומים ראה את שדה היישום שלו מורחב לשבר התרמו-mechano-כימי של חומר צמחי^2,3. תפיסה חדשה זו הובילה לפיתוח כורים אמיתיים המסוגלים להפוך או לשבר את ענייני הצמח בצעד אחד, עד לייצור נפרד של תמצית ו raffinate על ידי הפרדה נוזלית /^{מוצקה 2,3,4}. העבודה שבוצעה במעבדה לכימיה אגרו-תעשייתית (LCA) הדגישה את האפשרויות המרובות של טכנולוגיית הבורג התאום לשברים ולהערכת אגרורסורסים^2,3. חלק מהדוגמאות הן: 1) מיצוי הממס המכני ו/או “הירוק” של שמן צמחי^5,6,7,8,9,10. 2) החילוץ של hemicelluloses^11,12, פקטין¹³, חלבונים^14,15, ותמציות פוליפנוליות¹⁶. 3) השפלה אנזימטית של קירות תא הצמח לייצור ביואתנול דור שני¹⁷. 4) ייצור של חומרים ביו קומפוזיציוניים עם חלבון¹⁸ או פוליסכריד¹⁹ מטריצות. 5) ייצור חומרים תרמופלסטיים על ידי ערבוב דגנים, ופוליאסטרים מבוססי ביו^20,21. 6) הייצור של biocomposites על ידי הרכבה פולימר תרמופלסטי, ביו מבוסס או לא, ומילוי צמחים^22,23. 7) דפיבינציה של חומרים ליגנוקלוסיים לייצור עיסת נייר^13,24, ו סיבים^{25,26,27,28,29,30,31,32}.

האקסטרודר בעל הבורג התאום נחשב לעתים קרובות לכור תרמו-מכנו-כימי מתמשך (TMC). אכן, הוא משלב בצעד אחד כימי, תרמי, וגם, פעולות מכניות. הגורם הכימי גורם לאפשרות להזריק ריאגנטים נוזליים בנקודות שונות לאורך החבית. התרמי אפשרי בשל הרגולציה התרמית של החבית. לבסוף, המכני תלוי בבחירת רכיבי הבורג לאורך פרופיל הבורג.

עבור דפיבינציה של חומרים ליגנוקלוסיים לייצור סיבים, העבודות האחרונות השתמשו קש אורז^25,28, קש כוסברה^26,29, פשתן oleaginous shives²⁷ כמו גם חמניות^30,32 ו amaranth^{31 נביחות.} העניין הנוכחי של ביומסות lignocellulosic עבור יישום כזה (כלומר, חיזוק מכני) מוסבר על ידי דלדול קבוע של משאבי יער המשמשים לייצור חומרים מבוססי עץ. שאריות יבול הן זולות ועשויות להיות זמינות באופן נרחב. בנוסף, חלקיקי עץ נוכחיים מעורבבים עם שרפים פטרוכימיים אשר יכול להיות רעיל. לעתים קרובות מהווה יותר מ -30% מהעלות הכוללת של החומרים המסחריים הנוכחיים³³, שרפים מסוימים תורמים לפליטות פורמלדהיד ולהפחית את איכות האוויר המקורה³⁴. העניין המחקרי עבר לשימוש בקלסרים טבעיים.

ביומסה ליגנוקלוסית מורכבת בעיקר תאית ו hemicelluloses, יצירת קומפלקס הטרוגניים. המיצלולוזות ספוגות בשכבות של ליגנינים היוצרות רשת תלת מימדית סביב מתחמים אלה. השימוש בביומסה ליגנוקלוסית לייצור סיבים דורש בדרך כלל טיפול מקדים. בשביל זה, יש צורך לשבור את ליגנינים להגן על תאית hemicelluloses. מכני, תרמי, כימי³⁵ או אפילו אנזימטי^36,37,38 טיפולים קדם יש ליישם. צעדים אלה גם להגדיל את הדבקה עצמית של סיבים, אשר יכול לקדם את הייצור של לוחות קלסר²⁷ גם אם קלסר אקסוגני מתווסף לרוב.

המטרה העיקרית של טיפולים מקדים היא לשפר את פרופיל גודל החלקיקים של סיבים מיקרומטריים. שחיקה פשוטה מציעה את האפשרות להקטין את גודל הסיבים^27,39,40. זול, זה תורם להגדלת משטח סיב ספציפי. מרכיבי דופן התא הפנימי הופכים לנגישים יותר והתכונות המכאניות של הלוחות המתקבלים משופרות. היעילות של דפיבינציה מוגברת באופן משמעותי כאשר עיסת תרמו-מכני מיוצר, למשל, על ידי עיכול בתוספת דפיבינציה⁴¹, מתהליכי עיסת שונים⁴² או על ידי פיצוץ קיטור^{43,44,45,46,47}. לאחרונה, LCA פיתחה טיפול מקדים מקורי של סיבים ליגנוקלוסיים באמצעות שחול בורג תאומים^{25,26,27,28,29,30,31,32}. לאחר דפיביציה TMC, האקסטרודר מאפשר גם פיזור הומוגני של קלסר טבעי בתוך סיבים. Premix וכתוצאה מכך מוכן להיות חם לחוץ לתוך סיבים.

במהלך דפיביציה של קש אורז, שחול בורג תאומים הושווה לעיכול בתוספת תהליך דפיביציה²⁵. שיטת ההבלטה חשפה עלות מופחתת משמעותית, כלומר, נמוכה פי תשעה מזו של העיסה. יתר על כן, כמות המים הנוספים מופחתת (יחס נוזלי/מוצק מרבי של 1.0 במקום 4.0 דקות בשיטת העיסה), וכן נצפתה עלייה ברורה ביחס הגובה-רוחב הממוצע של סיבים מזוקקים (21.2-22.6 במקום 16.3-17.9). סיבים אלה מציגים יכולת חיזוק מכני משופרת מאוד. זה הודגם עבור לוחות סיבים מבוססי קש אורז, שבו ליגנין טהור לא התדרדר (למשל, Biolignin) שימש קלסר (עד 50 MPa עבור כוח כיפוף ו 24% עבור נפיחות עובי לאחר טבילה 24 שעות במים)²⁸.

העניין של דפיביציה TMC ב extruder בורג תאומים אושרה גם עם קש כוסברה²⁶. יחס הגובה-רוחב של סיבים מזוקקים נע בין 22.9-26.5 במקום 4.5 בלבד עבור סיבי קרקע פשוטים. 100% סיבים מבוססי כוסברה התקבלו על ידי הוספת קשיות מעודן שחול עוגה מהזרע כמו קלסר חלבון (40% במסה). כוחם הגמישות (עד 29 MPa) ובמיוחד ההתנגדות שלהם למים (עד 24% נפיחות בעובי) שופרו באופן משמעותי בהשוואה ללוחות העשויים מקש כתוש פשוט. יתר על כן, לוחות אלה אינם פולטים פורמלדהיד, וכתוצאה מכך, הם ידידותיים יותר לסביבה ובריאות האדם מאשר סיבים בצפיפות בינונית (MDF) ו chipboard²⁹ קלאסי נמצא בשוק.

באופן דומה, לוחות המבוססים לחלוטין על amaranth³¹ וחמניות³², שילוב סיבים מזוקקים שחול מקליפה כמו חיזוק עוגת זרעים כמו קלסר חלבון, יוצרו בהצלחה. הם הראו עוצמות גמישות של 35 MPa ו 36 MPa, בהתאמה. עם זאת, עמידות המים שלהם נמצאה נמוכה יותר: 71% ו 87%, בהתאמה, עבור נפיחות עובי. לוחות עם מליטה עצמית המבוססים על שבלול מעודן מקש פשתן oleaginous ניתן להשיג גם²⁷. במקרה זה, זה שבר ligneous, שוחרר במהלך defibration TMC בורג תאומים, התורם מליטה עצמית. עם זאת, לוחות קשים המתקבלים מראים חוזק מכני נמוך יותר (רק 12 MPa חוזק flexural), ונפיחות עובי גבוה מאוד (127%).

כל לוחות מבוססי סיבים המובלטים המוצגים לעיל יכולים למצוא יישומים תעשייתיים ולכן הם חלופות בנות קיימא לחומרים מסחריים מבוססי עץ נוכחיים. על פי דרישות הארגון הבינלאומי לתקינה (ISO)^48,49,50, היישומים הספציפיים שלהם יהיו תלויים במאפיינים המכניים שלהם רגישות למים.

במאמר זה, ההליך כדי להבליט ולשכלל סיבים ליגנוקלוסיים לפני השימוש בהם כחיזוק מכני בלוחות מתחדשים מתואר בפירוט. כתזכורת, תהליך זה מפחית את כמות המים שיש להוסיף בהשוואה למתודולוגיות עיסת מסורתיות, וזה גם פחות אנרגיה לצרוך²⁵. אותה מכונת בורג תאומים יכולה לשמש גם להוספת קלסר טבעי לסיבים.

ליתר דיוק, מוצג מתווה מפורט לניהול זיקוק ההבלטה התאום-בורג של shives מפשתן oleaginous(לינום usitatissimum L.) קש. הקש ששימש במחקר זה הושג באופן מסחרי. זה היה ממגוון האוורסט, והצמחים מעובדים בחלק הדרום מערבי של צרפת בשנת 2018. באותו מעבר הבלטה, ניתן להוסיף עוגת פשתן מפלסטיק (המשמשת כקלסר אקסוגני) גם באמצע החבית, ולאחר מכן לערבב באופן אינטימי את התשישים המעודנים לאורך החצי השני של פרופיל הבורג. תערובת הומוגנית בעלת צורה של חומר רך נאספת בשקע המכונה. פעולת TMC חד-שלבית מתבצעת באמצעות מכונת קנה מידה של טייס. המטרה שלנו היא לספק הליך מפורט עבור המפעילים לנהל כראוי את זיקוק שחול של shives, ולאחר מכן את תוספת העוגה. בעקבות פעולה זו, premix המתקבל מוכן לייצור הבא של 100% הארדבורדים מבוססי פשתן oleaginous באמצעות לחיצה חמה.

Protocol

1. הכן את חומרי הגלם השתמש shives פשתן oleaginous, שהם תוצאה של שלב ראשוני של מיצוי מכני של סיבי מעוז מקש במכשיר מיצוי “כל הסיבים”51. השתמש מסננת רוטטת כדי להסיר סיבי טקסטיל קצרים שהם עדיין עשויים להכיל.הערה: כמו הסרת סיבי טקסטיל קצרים אלה עשוי להיות קשה, אל תהססו לחזור על פעולה זו ?…

Representative Results

במהלך זיקוק הסיבים של שיני פשתן oleaginous באמצעות תצורה (שלב 3.1.1), מים נוספו בכוונה ביחס נוזלי / מוצק שווה 1.0. על פי עבודותקודמות 25,26,27, יחס נוזלי / מוצק כזה שומר טוב יותר על אורך הסיבים המעודנים בשקע האקסטרודר טווין בורג מאשר יחס נמוך יותר, אשר בו …

Discussion

הפרוטוקול המתואר כאן מתאר כיצד לעבד את הזיקוק שחול של סיבים ליגנוקלוסיים לפני השימוש בהם כחיזוק מכני בלוחות מתחדשים. כאן, האקסטרודר בעל הבורג התאום המשמש הוא מכונת סולם טייס. עם ברגים בקוטר 53 מ”מ (D), הוא מצויד בשמונה מודולים, כל אחד באורך 4D, למעט מודול 1 בעל 8D אורך, המתאים לאורך כולל של 36D (כלומ…

Materials

Analogue durometer	Bareiss	HP Shore	Device used for determining the Shore D surface hardness of fiberboards
Ash furnace	Nabetherm	Controller B 180	Furnace used for the mineral content determinations
Belt dryer	Clextral	Evolum 600	Belt dryer used for the continuous drying of extrudates at the exit of the twin-screw extruder
Cold extraction unit	FOSS	FT 121 Fibertec	Cold extractor used for determining the fiber content inside solid materials
Densitometer	MA.TEC	Densi-Tap IG/4	Device used for determining apparent and tapped densities of extrudates once dried
Double-helix mixer	Electra	MH 400	Mixer used for preparing the solid mixture made of the raw shives and the plasticized linseed cake for producing board number 12
Fiber morphology analyzer	Techpap	MorFi Compact	Analyzer used for determining the morphological characteristics of extrusion-refined shives
Gravimetric belt feeder	Coperion K-Tron	SWB-300-N	Feeder used for the quantification of the oleaginous flax shives
Gravimetric screw feeder	Coperion K-Tron	K-ML-KT20	Feeder used for the quantification of the plasticized linseed cake
Hammer mill	Electra	BC P	Crusher used for the grinding of granules made of plasticized linseed cake
Heated hydraulic press	Pinette Emidecau Industries	PEI 400-t	Hydraulic press used for molding the fiberboards through hot pressing
Hot extraction unit	FOSS	FT 122 Fibertec	Hot extractor used for determining the water-soluble and fiber contents inside solid materials
Image analysis software	National Institutes of Health	ImageJ	Software used for determining the morphological characteristics of raw shives
Oleaginous flax straw	Ovalie Innovation	N/A	Raw material supplied for the experimental work
Piston pump	Clextral DKM	Super MD-PP-63	Pump used for the water quantification and injection
Scanner	Toshiba	e-Studio 257	Scanner used for taking an image of raw shives in gray level
Side feeder	Clextral	E36	Feeder used to force the introduction of the plasticized linseed cake inside the barrel (at the level of module 5) for configuration (b)
Thermogravimetric analyzer	Shimadzu	TGA-50	Analyzer used for conducting the thermogravimetric analysis of the solids being processed
Twin-screw extruder	Clextral	Evolum HT 53	Co-rotating and co-penetrating pilot scale twin-screw extruder having a 36D total length (D is the screw diameter, i.e., 53 mm)
Universal oven	Memmert	UN30	Oven used for the moisture content determinations
Universal testing machine	Instron	33R4204	Testing machine used for determining the bending properties of fiberboards
Ventilated oven	France Etuves	XL2520	Oven used for the discontinuous drying of extrudates at the exit of the twin-screw extruder
Vibrating sieve shaker	RITEC	RITEC 600	Sieve shaker used for the sieving of the plasticized linseed cake
Vibrating sieve shaker	RITEC	RITEC 1800	Sieve shaker used for removing short bast fibers entrapped inside the oleaginous flax shives